Многокорпусные выпарные установки

Многокорпусные выпарные установки состоят из различным образом соединенных выпарных аппаратов. Классифицировать многокорпусные выпарные установки можно по следующим признакам: по количеству корпусов; по направлению движения пара и раствора – прямоточные, противоточные и с параллельным питанием корпусов; по давлению вторичного пара в последнем корпусе – под вакуумом, атмосферным или избыточным давлением. Соединение аппаратов в многокорпусную единую установку позволяет снизить расход греющего пара, вносящего значительный вклад в себестоимость продукции, в производстве которой используются процессы выпаривания.

Экономия греющего пара в многокорпусных выпарных установках по сравнению с однокорпусными достигается за счет использования вторичного пара предыдущего аппарата в качестве греющего в последующем. По ходу движения пара от аппарата к аппарату температура пара понижается. Для соответствующего уменьшения температуры кипения раствора в последующих по ходу движения пара аппаратах создается более низкое давление, чем в предыдущем аппарате. Таким образом, условием функционирования многокорпусной выпарной установки является положительная полезная разность температур в каждом корпусе, то есть температура вторичного пара из предыдущего корпуса должна быть выше температуры кипения раствора в последующем. Только в этом случае будет обеспечен перенос тепла от пара к раствору.

Экономия греющего пара с увеличением числа корпусов, с одной стороны, и уменьшение полезной разности температур, а следовательно увеличение суммарной поверхности нагрева, с другой стороны, указывает на необходимость оптимизации числа аппаратов в установке.

Наибольшее распространение получили прямоточные многокорпусные выпарные установки (рис. 12.13).

Рис. 12.13. Схема прямоточной многокорпусной выпарной уста-новки: 1-3 – корпуса установки; 4 – подогреватель исходного раствора; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка; 7 – вакуум-насос

В прямоточной многокорпусной выпарной установке исходный раствор поступает непрерывно в первый корпус. В нем раствор упаривается до некоторой концентрации за счет теплоты конденсации первичного (греющего) пара, затем поступает во второй корпус (нумерация корпусов по ходу движения пара). Образовавшийся в первом корпусе в процессе выпаривания пар растворителя (вторичный пар) поступает во второй корпус в качестве греющего и имеет температуру ниже температуры первичного пара. Использование вторичного пара из первого корпуса во втором корпусе в качестве греющего возможно лишь при искусственном поддержании давления во втором корпусе меньше, чем в первом, и обеспечивающем выпаривание (кипение) раствора. Раствор из первого корпуса, попадая во второй, охлаждается до температуры кипения во втором корпусе. За счет выделившегося при охлаждении раствора тепла образуется дополнительное количество вторичного пара. Это явление, происходящее во всех корпусах, кроме первого, называется самоиспарением. Во втором корпусе концентрация раствора в процессе выпаривания увеличивается и раствор поступает в третий корпус. В третьем корпусе раствор выпаривается до еще большей, чем во втором корпусе концентрации. В качестве греющего используется вторичный пар второго корпуса. Температура кипения раствора и давление в третьем корпусе ниже, чем во втором. И так раствор переходит из корпуса в корпус, его концентрация повышается до требуемой. В каждом последующем корпусе поддерживается требуемое более низкое давление, чем в предыдущем корпусе. В качестве греющего в каждом последующем корпусе используется вторичный пар предыдущего корпуса. Во избежание чрезмерно высокого давления первичного пара, используемого в первом корпусе, часть последних корпусов, как правило, работает под вакуумом. Это обеспечивается за счет соединения последнего корпуса с источником вакуума (например, с барометрическим конденсатором смешения).

Прямоточные выпарные установки обладают рядом преимуществ. Отсутствие необходимости в принудительной перекачке раствора из корпуса в корпус, т.е. отсутствие перекачивающих насосов, достигается за счет понижения давления в корпусах. С упаренным раствором, уходящим из последнего корпуса, уносится наименьшее тепло, соответствующее минимальной температуре кипения раствора в корпусах. Однако в прямоточных установках создаются неблагоприятные условия теплопередачи. Поскольку вязкость растворов зависит от их температуры и концентрации (m ~ Т ^-1, Х), то в каждом последующем корпусе с понижением температуры и ростом концентрации она возрастает, что приводит к уменьшению скорости движения раствора, его коэффициента теплоотдачи и, следовательно, коэффициента теплопередачи. Таким образом, коэффициенты теплопередачи в прямоточной выпарной установке существенно уменьшаются от первого корпуса к последующему.

В противоточной многокорпусной выпарной установке
(рис. 12.14) раствор движется от последнего к предыдущему и так до первого корпуса, а пар – от первого к последнему. Таким образом, греющий пар движется противотоком по отношению к направлению движения упариваемого раствора. При такой организации процесса более концентрированный раствор в предыдущем корпусе выпаривается при более высокой температуре, чем раствор в последующем корпусе, т.е. рост вязкости раствора за счет увеличения концентрации компенсируется ее уменьшением за счет увеличения температуры. Коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем при прямоточном движении. Однако перемещение раствора из корпуса с меньшим давлением в корпус с большим давлением требует дополнительной установки перекачиваю-щих насосов. Кроме того, уходящий из первого корпуса упаренный раствор уносит большее количества тепла, чем в прямоточных выпарных установках. В связи этим противоточные выпарные установки применяются для выпаривания сильно вязких растворов, а также растворов, близких к состоянию насыщения при нежелательности выпадения твердого осадка.

Рис. 12.14 Схема противоточной многокорпусной выпарной установки: 1-3 – корпуса; 4-6 – насосы

При выпаривании растворов, склонных к кристаллизации, может возникнуть сложность с перекачкой раствора с выпавшими кристаллами из корпуса в корпус. В такой ситуации, а также когда не требуется значительного повышения концентрации раствора, используются установки с параллельным питанием корпусов исходным раствором (рис. 12.15).

Рис. 12.15. Схема многокорпусной выпарной установки с параллельным питанием корпусов (1-3)

В каждый корпус такой установки поступает исходный раствор. В каждом корпусе исходный раствор доводится до одной и той же конечной концентрации. Греющий (первичный) пар поступает в первый корпус, а последующие корпуса обогреваются вторичным паром из предыдущего корпуса. В последующих корпусах поддерживается более низкое давление, чем в предыдущих.

В многокорпусных выпарных установках многократно используется тепло первичного пара, причем с некоторым приближением расход греющего первичного пара на выпаривание равен

, (12.1)